（矿业工程专业论文）不稳定煤层开采技术研究.pdf

山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 不稳定煤层的开采，历来是采矿工作者的棘手问题。迄今为止，国内外尚没有 一种采煤方法能适应各种不稳定煤层的开采。本文依据济宁二号煤矿3t 煤层不稳 定赋存特点，将实验工作面分为三个回采区：综采区、过渡区和综放区，并确定了 各个阶段的工作面参数。对工作面配套设备及液压支架的支护能力进行理论分析及 现场检测。通过实验结果表明，试验工作面配套设备完全能满足开采特殊煤层不同 回采工艺状态的要求；液压支架能够完全适应工作面顶板的活动规律，保证工作面 的安全生产及高产高效。 关键词：不稳定煤层特殊放煤法过渡状态回采工艺 l h 东挝鞑学王程硕士堂僮论文_摘要 a b s t k a c r t h em i n i n go fu n s t a b l ec o a ls e a mi sat h o r n yt h i n gf o rm i n e r f r o mt h e n t h e r ea r e n ta n ym i n i n gm e t h o d st h a tc a nc o n t e n tt ov a r i o u su n s t a b l ec o a l s e a mi nt h ew o r l d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h e3 。u n s t a b l ec o a ls e a m i nj i n i n gn o 2c o l l i e r y ，t h ep a p e rd i v i d e st h i sw o r k i n gf a c e i n t ot h r e e a c t u a lm i n i n gs e c t i o n s ：c o m p r e h e n s i v em i n i n gs e c t i o n ，t r a n s i e n ts e c t i o na n d c o m p r e h e n s i v ea n df a l l i n gc o a ls e c t i o n a tt h a tt i m e ，i tm a k e sa s c e r t a i n t h ep a r a m e t e ro fw o r k i n gf a c ei nv a r i o u ss e c t i o n t oa n a l y z ea n do b s e r v e i ns p o tt h ea b i l i t yo fn e c e s s a r ye q u i p m e n t sa n dt h es u p p o r t i n ga b i l i t yo f h y d r a u l i cs u p p o r t s ，b yt h ec o n s e q u e n c e so fe x p e r i m e n t ，w ec a nk n o w nt h a t a t it h ee q u i p m e n t sc a na b l et os a t i s f yt h ei n q u i r e st ov a r i o u sa c t u a lm i n i n g c r a f t su n d e rm i n i n gs p e c i a lc o a ls e a m ：h y d r a u l i cs u p p o r t sa r ea l s os u i t e d t ot h em o v e m e n tl a w s o ff l o o r so fw o r k i n gf a c e i tm a d es u r ew o r m n gf a c e i sg o i n gu n d e rs a f e t y 。h i g hp r o d u c t i o na n de f f i c i e n t k e y w o r d s ：u n s t a b l ec o a ls e a ms p e c i a lm i n i n ga n df a l l i n gc o a lm e t h o d t r a n s i e n ts t a t ea c t u a lm i n i n gc r a f t 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它 任何学术机关作鉴定。 a f f i r m a t i o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e s i g n a t u r e ： d a t e ： 、去默铲铸。低m 繇 期 地 硕 日 尘壅型堇盔堂至塑堡主堂焦：| 坌文 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的意义 济宁二号煤矿是国家“八五”重点建设项召，矿井位于济东煤田北部，其煤炭质量 与兖州煤田类似，属气肥煤。矿井东西宽1 0 公里，南北长6 - - - i l 公里，面积约9 0 平方公 里。截至2 0 0 3 年1 2 月3 1 日，矿井探明及推定总储量约为4 3 7 亿吨。该矿于1 9 8 9 年兴 建，1 9 9 7 年开始商业生产，设计年生产能力为4 0 0 万t ，现年生产能力达到6 0 0 万t 。 矿井主要可开采煤层为3 上、3 ，、1 6 上、1 7 层，现开采水平为第一水平( 5 5 5 m ) 。 主采煤层为3t 和3t 。3 撑煤层及其顶、底板均为二叠系下统山西组地层，其形成环境为 三角洲沉积。由于3 f 煤层为废弃三角洲沉积，其顶板为上三角洲平原沉积；上三角洲平 原的分流河道系统对3t 煤层冲刷强烈，形成了较多的煤层冲刷带，甚至无煤冲刷带，造 成3 + 煤层厚度变化较大且赋存及不稳定。3t 煤层厚度为o 6 o m ，平均2 ，l o m ，3 ，煤 层厚度为o - - 1 7 9 6 m ，平均4 6 8 m 。现3t 煤层工业储量为1 4 7 6 7 3 万t ，可采储量9 8 3 9 1 力t ：3t 煤层工业储量为3 1 1 1 1 5 万t ，可采储量1 7 4 2 5 0 万t 。从总体地质情况看，3t 煤层中厚度变化2 - - 5 m 的煤层分布较广，属不稳定中、厚煤层，我们称之为“特殊煤层”； 3t 也有部分类似条件。全井田“特殊煤层”赋存条件下的3 8 煤层地质储量为6 9 6 0 万t 。 分布情况如表1 1 。其中九采区大巷保护煤柱以南煤层赋存情况如表1 2 。 表1 i 特殊煤层储量分布情况 t a b l e l it h ed i s t r i b u t i n gs t a t eo f u n s t a b l ec o a l $ e a n f lr e s e r v e s 工业储量可采储量 煤厚2 o m 以下区域工业储 煤层 分布区域 ( 万t ) ( 万t ) 量( 万t ) 3 光府河以西 2 7 2 4 4 2 1 7 9 74 0 3 三采区1 0 9 6 5 1 0 21 1 7 四采区 8 8 6 58 2 42 2 3 八采区 4 2 6 43 1 9 83 4 8 3t 九采区大巷保安煤柱以南 1 9 3 1 41 4 4 8 66 6 7 八里铺断层以西( 九采区除外) 1 6 7 9 57 7 8 1 8 0 合计 4 2 3 5 62 7 3 0 9 1 9 5 4 3 # 煤层全矿合计 6 9 6 04 9 1 0 65 9 8 4 坐至登垫盔兰苫墼堡主兰丝建塞 堑笙 表12 九采区煤层赋存情况 t a b l ei2t h ee n c l o s e ds t o r es t a t eo f c o a ls e a l 1i nn o9s e e t i o n 内容面积面积 工业储量工业储量百可采储量 煤厚( m ) ( k i n 2 )百分比( )( 万t ) 分比( 1 ( 7 i t ) 1 8 0 7 1 6 0 3 52 71 42 0 2 2o 1 81 5 53 43 9 722 98 25 2 01 1 5 02 5 53 4 931 812 6 2 30 2 58 7 01 9 23 2 2 91 6 72 4 2 2 35 3 06 2 01 3 72 7 21 4 i2 3 4 4 0 - - 3 54 7 01 0 42 3 7 91 2 ，31 7 8 4 45 4 01 0 9 52 4 36 8 2 63 5 d5 1 2 合计4 5 2 01 0 01 9 3 i41 0 01 4 4 8 6 从以上采区分布和煤层条件来看，如使用普通综采和常规的放顶煤方法开采特殊煤 层，将不可避免地质储量损失。 由于矿井主采3 ，煤层为不稳定煤层，东厚西薄，煤层厚度和起伏变化都较大，沿工 作面推进方向从2 m 到5 m 。给开采带来一定的难度；而目前的综采工艺和综采设备 f z y 6 0 0 0 1 3 2 7 ) 、以及充矿普遍应用的“九五”放顶煤开采工艺与设备均对济宁二号煤 矿矿井地质构造和煤层厚度的变化适应性较差，导致矿井煤炭采出率较低。造成煤炭损 失严重。另外由于工作面煤层厚度变化大，当煤厚较薄时，采煤机割底或挑顶，割岩石 的厚度有时可达l0 m 以上，大量矸石涌入煤流，原煤灰分受到严重影响，同时造成矿井 煤流系统内出现无效的运输、提升。 因此济宁二号煤矿2 5 m 厚不稳定煤层的开采问题直接影响到整个矿井的生产安全 和吾项技术经济指标，关系到济宁二号煤矿的可持续发展。 陔矿由于受特殊的地质采矿条件的影响，有效正规储量较小，长期受接续紧张影响。 因此研究2 s r a 不稳定煤层开采技术，不仅可以缓解矿并揍续紧张前压力，而且可以提 高矿井经济效益和煤炭资源回收率。有利于矿井实现可持续开采。 1 2 国内外研究现状 根据国内外长壁开采技术发展现状，对于2 5 m 不稳定煤层可供选择的采煤方法主 要有大采高综采一次采全厚及放顶煤开采一次采全厚。每种采煤方法均有一定的适应条 要有大采高综采一次采全厚及放顶煤开采一一次采全厚。每种采煤方法均有一定的适应条 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 件。 l 2 1 一次采全厚大采高长壁综采 我国从1 9 7 8 年起，从德国引进了g 3 2 0 2 0 3 7 型、g b 2 0 2 3 4 5 型等型号的大采高液 压支架及相应的采煤运输设备，与此同时也开始研制和试验国产的大采高液压支架和采 煤机。经过2 0 多年的努力，现已取得了明显的进展。到目前为止，对于厚度为3 5 4 5 m 的缓倾斜厚煤层，大采高一次采全厚综采已取得了成功，与倾斜分层综采相比，已在技 术经济上体现出明显的优越性和发展潜力，并为降低掘进率，缓和采掘关系、简化生产 环节和保证安全生产提供了条件。据统计，大采高综采工作面的单产水平要比同一煤层 条件下的倾斜分层综采工作面高1 1 8 2 6 2 倍，而回采工效则要高o 5 8 - - 1 2 2 倍。虽然 大采高综采设备的投资和设备折旧费比分层综采高3 4 倍。但由于其产量大，效率高以 及减少回采巷道，不铺设假顶和减少工作面搬迁等因素，其综合经济效益明显高于分层 综采。但由于国产大采高设备不够完善及缺乏管理经验，大采高工作面的生产能力未能 全面充分地得到发挥。 目前，我国部分生产矿井已经采用大采高综采进行厚煤层的开采，并取得了良好的 经济效益。但因工作面配套设备的不同，工作面单产存在明显的差距，采用国产设备的 工作面产量仅为全引进设备大采高工作面产量的1 3 1 4 。工作面全部采用进口设备的 矿井主要有神华集团神东公司下属的矿井及晋城寺河煤矿。如神华集团神东公司的大柳 塔矿，设计采高5 3 m ，工作面月平均产量达到7 5 万t ，最大月产量为9 0 7 万t ：神华集 团神东榆家梁矿，采高为4 2 m ，工作面月平均产量达到8 9 万t ；晋城寺河煤矿大采高综 采工作面，支架最大高度可达5 5 m ，每天平均割煤1 0 刀，最多日进1 6 刀，平均日产量 1 4 万t ，工作面月平均产量达到4 0 万t 。采用国产设备的大采高工作面，如沈阳矿务局 三矿综采一队，采高为4 5 m ，单面年产量达到1 9 1 4 万t ；开滦范各庄矿综三队，采高 为4 m ，单面年产量达到10 0 8 5 万t 。邢台东庞矿大采高综采工作面采高5 m ，年产达到 2 2 0 万t 。 大采高综采由于配套设备能力的不断加大。对于条件适宜的厚煤层矿区，已成为高 产稳产的主要途径。 1 2 2 厚及特厚煤层放顶煤开采 放顶煤采煤法最早应用于欧洲，如法国、南斯拉夫、罗马尼亚、原苏联等国。上世 纪8 0 年代初我国才开始试验，引进国外放顶煤液压支架，自2 0 世纪9 0 年代起综放开采 得到了迅速发展，出现了潞安、兖州、阳泉等以综放开采为主的大型高产高效矿区。目 3 岜丕型垫丕兰三堡堡圭兰丝丝塞 堕堡 前综放队最高年产量已超过6 0 0 万t ，2 0 0 3 年兖矿集团已有3 个综放队实现年产6 0 0 万t 以上。 放顶煤采煤法与其他厚煤层长壁开采工艺相比具有以下优点： ( 1 ) 由于放项煤工艺可以实现采放平行作业，1 个工作面至少可相当2 个普通工作 面，单产和效率可提高8 0 1 2 0 ： ( 2 ) 巷道掘进率低，一般要比分层开采低5 0 6 0 ，这就可以大大缓和采掘接替 的矛盾，减少巷道维护工程量，同时生产也相对集中： ( 3 ) 工作面搬家次数较分层开采至少减少一半阻上； ( 4 ) 节省电力消耗，因放顶煤开采的顶煤是靠自然矿山压力来破碎放出的，无须外 加动力，与分层机采相比，吨煤可节约用电1 5 2 0 度。 ( 5 ) 减少材料消耗，与分层机采相比，可大大减少坑木消耗、金属网消耗( 假顶) 、 截齿和油脂消耗。根据估算其节约的材料费用约可使工作面吨煤直接成本降低5 1 0 元。 ( 6 ) 对地质条件、煤层赋存条件有更大的适应性，实践证明，放顶煤可通过调节采 放高度比( 缓倾斜煤层) 适应厚度变化，便于通过落差较小的断层连续开采。在不稳定 厚煤层条件下，其回采率可略高于分层开采。 放顶煤采煤方法的缺点： ( 1 ) 工作面煤炭采出率较低、丢煤多； ( 2 ) 煤尘大，对人员健康、安全危害严重。放顶煤工作面出煤点增多，且支架上方 为己破坏的顶煤体，在工作面割煤、放煤及移架过程中煤尘大： ( 3 ) 放煤时煤、矸线难以区别，使含矸率增高，影响煤质； ( 4 ) 两巷上方的顶煤及采煤工作面采空区遗煤易自燃，增加了“一通三防”的难度。 但由于放顶煤开采对不稳定煤层适应性强，工作面出煤点多，且容易实现高产，在 我国厚及特厚煤层中应用最为广泛，已成为厚煤层矿区实现高产高效的重要途径。 综放开采设备配套的关键是确定合适的放顶煤液压支架，我国从2 0 世纪8 0 年代初 期开始进行放顶煤支架的研究，至今已进入成熟期。在我国使用过的放顶煤液压支架有 多种多样，架型主要是支撑掩护式。按放煤口的位置分有高、中、低位，按放煤口结构 可分为插板式和开天窗式，按顶梁形式可分为整体顶梁和铰接顶梁，按支架重量又可分 为轻型支架和重型支架放顶煤。 根据与支架配套的输送机台数和放煤机构的不同，综放支架可分为单输送机高位、 双输送机中位和双输送机低位放顶煤支架。 4 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 双输送机低位放顶煤支架主要优点是顶梁较长，放煤时煤尘小且采出率高，但这种 支架稳定性较差，在矿压显现剧烈及煤层倾角较大时，应考虑其稳定性。目前一般均采 用双输送机低位放顶煤支架。 放顶煤采煤法是一种近年来迅速发展和推广的厚及特厚煤层采煤技术，目前取得了 突出的技术经济指标。根据济宁二号煤矿2 5 m 不稳定煤层的情况，可选择普采放顶煤 采煤法( 滚筒采煤机割煤，滑移支架或单体支柱支护) 和综采放顶煤采煤法。单体支柱 或滑移支架放顶煤采煤法由于通过剪网开口人工放煤，般放煤口之间间距为1 o 1 5 m ，与低位综放开采相比存在放煤脊背损失；同综放工作面液压支架放煤相比，这种 方法放煤1 2 1 难以控制，安全性差，通常不能完全放煤，顶煤回收率低：且工作面支护强 度低，支架或支柱稳定性差，工人劳动强度大，顶板事故多：另外这种方法产量有限， 难以实现高产高效。 综放开采是一种高产、高效、安全、低耗、经济效益好的采煤方法，己成为我国高 产高效矿井建设的重要技术途径。进入2 0 世纪9 0 年代以来，综放开采得到迅速的发展， 综放工作面个数逐年增加，产量逐年上升。 徐卅i 矿务集团公司夹河煤矿是目前国内沿工作面推进方向煤层厚度的变化大且采用 综放开采一处矿井，煤厚3 4 m ，采用轻型支架放顶煤开采，效果良好。但主采煤层沿 工作面推进方向厚度从2 m 变化到5 m ，对北方煤田实属少见，国内也未曾有这方面的报 道，研究在煤层厚度从2 m 变化到5 m 煤层实行综采放顶煤开采这在国内还属首次。因 此有必要对其从技术适应性、安全性及经济可行性等方面作进一步研究。受复杂的地质 条件影响，济宁二号煤矿有效正规储量较小，长期受接续紧张影响。因此研究2 5 m 不 稳定煤层开采技术，不仅可以缓解矿井接续紧张的压力，而且可以提高矿井经济效益和 煤炭资源回收率，有利于矿井实现可持续开采。 对于不稳定厚煤层的开采，国内外主要采用的方法有分层下行开采、恒底式分层开 采、炮采放顶煤开采及综放开采。其中分层下行开采在国内应用最为普遍，但由于煤层 厚度的变化大，分层厚度及工作面大小常受影响，导致煤层资源回收率偏低，同时也不 适应综合机械化开采的要求。难以达到高产高效；为了解决不稳定厚煤层的开采问题， 河南巩县上庄煤矿借鉴开滦荆各庄煤矿、枣庄山家林矿恒底分层采煤经验，在不稳定煤 层采用恒底式分层开采，使煤层资源回收率有较大提高。但恒底分层开采的条件是上部 煤层垮落后能够胶结为再生煤层，对煤层条件要求高，且最后分层工作面由于垮落顶板 影响，煤质灰分高。放顶煤开采技术的成功应用为不稳定煤层实现高回收率与高产量刨 5 些至登垫丕竺三堡堡主兰丝亟苎 堕丝 造了条件。2 0 世纪9 0 年代开始，较薄不稳定厚煤层的开采已逐渐采用放顶煤开采，由 于煤层条件的复杂性，一般多采用炮采放顶煤的方法，提高了资源的回收率，但工作面 还不能实现高产高效。对于特厚较不稳定煤层，在割煤高度不需大幅变化的工作面，开 始使用综放开采并取得了良好的效果。 对于较薄不稳定厚煤层使用综放开采目前国内只有部分企业采用，且一般采用轻型 放顶煤支架，工作面年产量一般为7 0 1 0 0 万t ，如徐州矿务集团公司夹河煤矿，煤厚3 4 m ，采用轻型支架放顶煤开采，效果良好。但主采煤层沿工作面推进方向厚度从2 m 变 化到5 m ，对北方煤田实属少见，国内也未曾有这方面的报道，研究在煤层厚度从2 m 变 化到5 m 煤层实行综采放顶煤开采并要求实现年产1 5 0 3 0 0 万t ，在国内还属首次。因 此有必要对其从技术适应性、安全性及经济可行性等方面作进一步研究。 1 3 论文的研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 根据文献查询及现场调研确定本论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 绪论 ( 2 ) “特殊煤层”采煤方法可行性分析 ( 3 ) 特殊煤层工作面回采工艺研究 ( 4 ) 工作面设备配套适应性分析 ( 5 ) 液压支架适应性分析 ( 6 ) 主要结论 1 3 2 技术路线 论文采用技术调研、试验研究、数值模拟及理论分析相结合的综合研究方法： ( 1 ) 技术调研：通过对国内外不稳定煤层开采方法的调查研究，根据济宁二号煤矿3 号煤层条件及当前国内外工作面设备发展现状，确定合理采煤方法。同时对济宁矿区综 采、综放开采工作面矿压显现规律及设备配套情况进行调查研究，为本论文工作面支架 选型及设备配套提供经验。 ( 2 ) 数值模拟：通过综采、综放不同开采方案( 不同割煤高度、不同支护强度) 条件下 工作面围岩破坏特征比较，确定工作面相关参数及支架支护强度。 ( 3 ) 现场试验：在工作面生产过程中通过矿压、工艺方面的观测及对设备故障、工 作面资源回收率的统计，评价工作面设备配套的合理性，研究工作面设备的可靠性，总 些奎型垫盔堂三堡堡主堂堡笙奎 堑堕 结2 5 m 不稳定煤层开采特点，并提出该煤层实现高产高效和高回收率的途径。 ( 4 ) 理论分析：根据煤层不稳定的特点，以产量最大化为目标分析综采割煤高度、 放顶煤开采放煤高度及工作面长度的关系，确定工作面沿推进方向不同回采阶段最佳分 界线：同时按照设备可靠、能力合理的原则。优化工作面三机配套，对工作面设备进行 配套选型。 1 4 关键技术及创新点 1 4 1 关键技术 ( 1 ) 2 5 m 不稳定煤层采煤方法及设备配套技术； ( 2 ) 2 5 m 不稳定煤层工作面高产高效开采技术； ( 3 ) 提高2 5 m 不稳定煤层工作面采出率途径。 1 4 2 创新点 ( 1 ) 2 5 m 不稳定煤层工作面设备配套及提高工作面采出率技术； ( 2 ) 研究同时适合普通综采和综放开采两种工艺的工作面液压支架。 坐查至 垫盔堂兰堡亟堂鱼堡皇 “特殊煤层”采煤方法可行性分析 2 “特殊煤层”采煤方法可行性分析 不稳定煤层的开采，历来是采矿工作者的棘手问题。迄今为止，国内外尚没有一种 采煤方法能适应各种不稳定煤层的开采。究其原因，是因为不稳定煤层的地质条件复杂， 煤层赋存不规则、无规律，煤层厚度和倾角变化难以预测。受地质构造影响的不同，造 成了不稳定煤层赋存状况的多样性，有的煤层厚度变化大，有的是倾角变化大，有的则 二者兼有之。就形成这些交化的原因而论，有的为原始沉积而成，有的则是后期火成岩 侵入或地质构造影响造成的。因此很难找到一种采煤方法能解决几种不同特征的不稳定 煤层的开采问题。因此，针对矿井的具体情况，试验研究合适的采煤方法对提高不稳定 煤层资源采出率具有普遍意义。 2 1 不稳定煤层特征 不稳定煤层又称不规则复杂煤层或难采复杂煤层。其不稳定和复杂有二方面：一是 煤层的赋存状况不稳定，表现为厚度、倾角、煤质以及煤层结构等要素的变化：二是煤 层的地质构造复杂，表现为煤层受褶曲、断层、岩浆岩入侵等影响。一般情况下，不稳 定煤层主要是指厚度变化大的煤层。因为煤层厚度变化对开采的影响最大，而且最为常 见。其煤层不稳定的成因主要有以下几种： ( 1 ) 由于煤层形成时地壳不均衡沉降造成的； ( 2 ) 泥炭沉积基底不平造成的； ( 3 ) 河流或海流冲蚀造成的i ( 4 ) 地质构造挤压造成的； ( 5 ) 由于石灰岩地层岩溶塌陷或火成岩侵入造成的。 但是，煤层厚度的变化往往不是单一地由某一种原因造成，而是由两种或几种原因 综合作用的结果。在同一矿井的不同煤层或同一煤层的不同部位，引起厚度变化的原因 也可能不同，有些地方可能是原生沉积造成的厚度变化，而另一些地方则可能是后期地 质构造形成的厚度变化。 根据济宁二号煤矿井田地质报告可知，“特殊煤层”的形成是河流冲蚀和地质构造挤 压综合作用的结果，属于煤层厚度的后生变化。 2 2 不稳定煤层开采技术难题 不稳定煤层主要是煤层在厚度方面的不稳定，给矿井生产带来严重影响主要有三个 方面： ( 1 ) 影响采区巷道布置 r 山东科技大学工程硕士学位论文“特殊煤层”采煤方法可行性分析 当人们根据已知地质资料在采区内布置好巷道后，却由于煤层厚度变化较大，给巷 道布置带来困难。如原为分层开采的厚煤层，一旦煤层变薄只能单一煤层开采；或原为 单一煤层开采的，由于煤层变厚而被迫改为分层开采，都需要重新调整巷道布置。 ( 2 ) 影响计划产量 在存在不稳定煤层的矿区，如果工作面的回采巷道已经掘好，因为煤层变薄造成可 采煤量减少，这不仅使原来的生产计划不能完成，还使许多己开掘进巷道发挥不了作用。 ( 3 ) 影响工作面回采率 不稳定煤层厚度变化造成工作面回采率下降是对矿井最严重的影响。在正常开采过 程中，由于遇到煤层厚度变薄造成局部不可采的面积损失，和局部变厚造成丢顶煤或丢 底煤的厚度损失。因此，对于不稳定煤层，为了减少资源损失，应根据煤层厚度变化采 取对策，在采区回采前应对煤厚进行探测，力求掌握厚度变化规律，以减少它对生产的 不利影响。所以，不稳定煤层开采的主要技术问题，是如何根据煤层厚度变化选择合理 的采煤方法，提高工作面回采率。 2 3 不稳定煤层采煤方法现状 对于缓倾斜、倾斜不稳定厚煤层的开采，国内外主要采用的方法有以下三种方法： ( 1 ) 分层下行开采 分层下行开采是开采不稳定厚煤层应用最为广泛的方法。在煤层较厚的局部地区， 对煤层进行分层，布置走向或倾斜长壁工作面，用综采、普采或炮采工艺自上而下顺序 开采。但由于煤层厚度的变化大，分层厚度及工作面大小常受影响，导致工作面的产量、 效率和回收率普遍偏低，同时也不适应综合机械化开采的要求，难以达到高产高效。 ( 2 ) 恒底分层开采 恒底分层开采方法将回采工作面沿底板布置，先沿底板回采第一分层，上方顶煤和 顶板自然垮落。顶煤和顶板经过一段时间活动稳定后再沿底板布置，回采第二分层：并 用同样的方法顺序采完各个分层。但恒底分层开采的条件是上部煤层垮落后能够胶结为 再生煤层，对煤层条件要求高，且最后分层工作面由于垮落顶板影响，煤质灰分高。 ( 3 ) 一次采全厚放顶煤开采 一次采全厚放顶煤采煤法，能够很好地解决缓倾斜不稳定厚煤层的开采问题。该法 是沿厚煤层的底板布置回采巷道，在采用走向长壁采煤方法回采底层煤的同时放顶煤， 一次采全厚。它具有巷道布置简单、效率高、产量大、生产安全、回采率高等优点。我 出壅型垫盔堂三堡塑主堂垡堡奎：堑壁堡星：墨堡立鎏型! ：丝笙堑 国在开采厚煤层中先后有炮采放顶煤采煤法、普通机采放顶煤采煤法和综采放顶煤采煤 法等。一次采全厚放顶煤采煤法的工作面始终沿底板推进，这样煤层厚度变化不会影响 工作面的正常生产，只影响煤层生产能力，并不影响煤的损失量，即不存在丢顶煤和丢 底煤的问题。在煤层厚度变化较大的厚煤层中采用放顶煤采煤法比分层开采可以取得较 高的采出率。所以，此方法被认为是解决缓倾斜不稳定厚煤层开采的最好方法。 对于急倾斜不稳定厚煤层的开采，由于其具有特殊性，如果采用倾斜分层开采会因 厚度变化而丢失煤炭：如果采用水平分层开采，工作面长度将随煤厚变化而变化，不利 于工作面管理；当采用机械化开采时，要使工作面成为等长必然造成走向方向上的煤炭 损失。因此，开采急倾斜不稳定厚煤层一般采用仓储式放顶煤采煤法。 对于较薄不稳定厚煤层开采，目前国内有少数矿井采用轻型放顶煤支架进行综采放 顶煤开采，工作面年产量一般为7 0 1 0 0 万t 。 2 4 “特殊煤层”采煤方法可行性分析 根据国内外不稳定煤层的开采技术现状，结合“特殊煤层”的厚度及煤层赋存特点， 可以采用的采煤方法有普通综采、常规放顶煤、大采高综采、轻型放顶煤。3 4 煤层现有 配套设备开采特殊煤层，普通综采和常规放顶煤开采都不可避免造成资源损失；而大采 高综采和轻型放顶煤都需要投入新的设备不具可行性。本着充分利用已有设备的原则， 考虑在“特殊煤层”工作面选用放顶煤液压支架，回采方式根据煤层厚度的变化确定一 次采全厚或放顶煤开采。 本文以济宁二号煤矿4 3 ，0 3 工作面为特殊煤层条件下的特殊采煤方法试验工作面。 2 4 1 工作面概况 4 3t 0 3 工作面推进长度1 1 7 4 2 m 。倾向长度1 6 4 2 m ，煤层厚度1 6 5 3 m ，平均3 6 1 m ， 煤层倾角为2 1 5 。，平均8 。东南部煤层较厚，一般在3 5 ，3 m 走向长6 3 0 m ( 其中 5 o m 以上4 1 0 m ) ，北部由于受古河流冲刷逐渐变薄，煤厚在3 0 m 以下，局部为1 0 m 左 右，且煤厚出现分层，下分层煤厚在o 7 m 左右，两层间距0 6 2 0 m 。煤层赋存情况见 表2 1 。煤层硬度f = - i 6 3 2 1 1 ，平均1 9 l 。工作面参数及煤层状况见表2 2 。 该面煤层顶板以灰白色中砂岩为主，层理发育，含泥岩条带易冒落；北部有泥岩 伪顶：底板为泥岩和粉砂岩。煤层顶底板及其变化情况见表2 3 。 济宁二号井3 8 煤层现均使用普通综采面配套方案，采用z f s 5 1 0 0 1 7 3 5 、 z t f 5 4 0 0 1 8 3 5 型等支架，a m 5 0 0 采煤机。由于受采煤机配套参数的限制，采高只能控 当杰型垫盔兰三塑堡主兰垡坠苎 ：堑壁堡星：墨堡查鎏卫堑丝坌堑 制在2 1 m ，致使采高低于2 1 m 时煤机难以通过。针对特殊煤层的开采条件，使用了电 牵引采煤机m g 4 2 0 9 6 5 型，其比现有a m 5 0 0 和m g t y 4 0 0 9 0 0 的机面高度和采高下限 低了2 3 0 - 2 7 0 m m ，将其截深加大到0 8 m ；并改造了液压支架z f s 5 l o o 。考虑到工作面 后部刮板输送机在工作面推进中期安装困难太大，具有不可行性，因此工作面的设备布 置与综放工作面相同，所有设各都在工作面切眼内完成安装。 表2 14 3t 0 3 工作面煤层赋存情况 t a b l e 2 1t h ee n c l o s e ds t o r eo f c o a ls e a mi n4 3 u n d e r 0 3 煤厚 h 2 ，02 0 h 3 2 52 5 3 5 h ( m ) 工业储量( 万t ) 2 2 31 2 7 51 0 0 0 6 3 6 7 合计 8 8 6 5 万t 表2 2 工作面参数及煤层情况 t a b l e 2 2t h ep a r a m e t e ro f w o r k i n gf a c ea n ds t a t eo f c o a ls e a m 煤层名称 煤3t 水平名称 5 5 5 水平 采区名称四采区 工作面名地面标高 + 3 4 8 3 + 3 5 3 1 工作面标 - 5 3 8 0 - 6 3 1 4 工称 4 3t 0 3 3 5 0 75 8 4 7 ( m ) 高( m ) 作 该面位置于小新河以北6 0 0 m ，济宁市外环路及辽沟河分别自工作面上方诬 地面位置 北部和南部穿过。 面 井下位置 及四邻采 位于四采区中部，西邻4 3 下0 2 面采空区，北距采区边界f 2 7 断层约2 8 m 。 晴 东邻4 3 下0 4 面老空区。南到采区下山煤柱线。 掘情况 回采对地 况 面设施的回采后将引起地面下沉，对济宁市外环和辽沟河有影响。 影响 走向长( m ) 1 1 1 7 1 2 倾向长( m ) 1 6 4 2 面积( m 2 ) 1 8 3 4 3 1 1 i 6 5 3 煤层倾角 2 1 5 煤层总厚煤层结构简单 3 6 1( 。) 8 煤 可采指数 l 变异系数 ( ) 3 3 8 稳定程度较稳定 层 情 工作面煤层产状变化大，煤层倾角2 - 1 5 。，平均8 。；煤层底板标高5 3 8 0 一6 3 1 4 m ， 况 平均5 8 4 7 m 。工作面煤厚1 6 - 5 3 m ，平均3 6 1 m ，东南部煤层较厚，一般在3 m 以上， 北部由于受古河流冲刷变薄，煤层结构南部简单。北部复杂，有一层0 1 0 7 m 的泥岩夹 矸，北部出现分层，下分层煤厚在o 7 m 左右，两层问距o 7 1 6 m ；煤层普氏系数( f ) 一般在1 9 l 左右，为软中等硬度煤层。 出变型垫盔堂三堡堡圭堂垡丝塞 ：堑壁堡星：墨堡立鎏旦i i 丝坌堑 表2 3 工作面煤层项底板情况 t a b l e 2 3t h er o o f a n df l o o rs t a t eo f c o a ls e a mi nw o r k i n gf a c e 顶底板名称岩石名称厚度m岩性及物理力学性质 4 7 一1 7 3 灰白色成分以长石、石英为主，含少量云母 老顶中砂岩 1 l和泥岩条带层理发育，泥质胶结；卢6 o 1 3 5 0 8 o 直接顶粉砂岩 深灰色，下部含较多泥质，上部质纯：f - - - - 4 “ 2 0 o 3 0 灰黑色，富含植物化石碎片，质软易垮落； 伪顶泥岩 0 5 芦1 5 4 0 2 o 灰黑色，含植物根部化石和煤屑。具膨胀性； 直接底泥岩 1 0 f = - 2 - 5 。 2 2 2 9 灰黑色，上部含泥质，下部质纯，含有云母碎 老底粉砂岩 2 5片，岩性坚硬。f = - 5 7 。 工作面煤层顶板以灰白色中砂岩为主层理发育，含泥岩条带易冒落；北部有泥岩伪 顶：底板岩性为泥岩和粉砂岩。 工作面主要设备情况见表2 4 。 表2 4 工作面主要设备情况 t a b l e 2 4s t a t eo f p r i m a r ye q u i p m e n t so f w o r k i n gf a c e 序号设备名称 规格型号生产厂家单位 数量 1 端头支架 z t f 5 4 0 0 18 3 5 郑州煤机厂架 6 2 中间支架 z f s ，5 1 0 0 1 7 3 5 北京煤机厂 架 1 0 6 3 采煤机 m q 4 2 0 9 6 5 w d 上海天地公司 1 4 前部运输机 s g z 9 6 0 8 0 0 西北煤机厂 1 5 后部运输机 s g z 8 3 0 6 3 0西北煤机厂 l 6 转载机 s z z 9 6 0 ，2 5 0 西北煤机厂 l 7 破碎机 l p s 1 8 0 0 西北煤机厂 l 8 皮带机s s j l 2 0 0 3 2 0 0淮南煤机厂 l 9 乳化液泵 g r b 3 1 5 3 1 5 无锡煤机厂 2 4 3 ，0 3 工作面在采煤工艺上采用了综采和综放两种方式，因此存在综采和综放两个 区域，其分别的主要技术经济指标见表2 5 。 2 4 2 采煤方法比较 以4 3 。q 3 工作面为例，根据工作面几何尺寸、综采及综放的可采高度和回采率计算 得出表2 6 。 由表2 6 分析可得：在经济上，在特殊煤层条件下使用特殊采放采煤法比现配套普 通综采可多采出煤量1 8 1 7 万t ( 多2 8 ) ，如吨煤售价按1 8 5 元t 计算，可增加产值3 3 6 1 4 5 2 山东科技大学工程硕士学位论文“特殊煤层”采煤方法可行性分析 万元；成本按1 1 5 元t 计算，则该面可增加利润1 2 7 1 9 万元；比常规综放和普通综采少 割矸石1 5 0 0 0 m 3 ( 少5 6 ) ，并有效减少煤机事故和截齿等配件消耗量，可节省皮带运输、 主井提升、洗煤；b n - r 、矸石排放等费用，降低生产成本，提高煤炭质量，减少资源浪费， 增加经济效益，有着明显的优势。 表2 5 工作面主要技术经济指标 t a b l e 2 5p r i m a r yt e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d e xo f w o r k i n gf a c e 序号项目数据 备注 综采区综放区 1 煤层 3t 煤3t 煤 2 煤厚( m ) 2 8 44 3 平均3 5 7 m 3 面长( m ) 1 6 4 ，21 6 4 2煤帮平距 4 推进长度( m ) 4 7 86 3 9 5 割煤高度( m ) 2 82 8 6 放煤高度( m ) 1 5 7 采放比 1 ：0 5 4 8 放煤步距( m ) o 8 9 煤层倾角( 。) 2 - 1 52 - 1 5 平均8 。 1 0 煤容重( 伽1 3 ) 1 3 5 1 3 5 1 1 工业储量( 万t ) 3 0 0 96 0 9 l 合计9 1 万t 1 2 可采储量( 万t ) 2 7 ，9 94 8 7 3合计7 6 7 2 万t 1 3 回采率( ) 9 38 08 4 3 1 4 日进尺( m ) 9 67 2 1 5 日产量( t ) 5 3 6 2 6 46 1 7 6 6 1 1 6 月进尺( m ) 2 5 9 2 1 9 4 4 1 7 月产量( 1 ) 1 4 4 7 9 1 3 01 6 6 7 6 8 4 7 1 8 可采期( 月) 1 83 2 总可采期5 个月 1 9 作业制度 四六制四六制 2 0 月工作日( d ) 3 03 0 在技术上，当煤层较薄时( 1 8 5 m 左右) ，支架降到最低采高，煤机能正常截割和顺 利通过，并有适合的过机间隙：当煤层厚度在3 m 左右时支架、煤机能正常一次截割， 当煤层达到3 ，5 5 m 或大于5 m 时适当降低割煤高度，前割后放，实现设备配套效益最 山东科技大学工程硕士学位论文 “特殊煤层”采煤方法可行性分析 佳化。如果配套设备在济宁二号煤矿的3 上、3t ( 2 5 m ) 特殊煤层条件的情况下，能够 得到广泛的应用，可以提高煤炭资源的回收率。 表2 6 不同采法开采情况比较 t a b l e 2 6t h ec o n t r a s to f d i f f e r e n tm i m n gs t a t e 采煤方法可采储量( 万t ) 割矸石量( r n3 )矸石量采出体积( ) 普通综采6 4 9 3 2 7 0 0 0 5 综放7 5 9 0 2 7 0 0 0 4 3 特殊采放 8 3 1 01 2 0 0 01 7 综合考虑技术、经济效益因素，在济二矿特殊煤层条件下采用特殊采放采煤方法将 实现特殊煤层条件的产量提高，为矿井的可持续发展探索出一条途径。 2 5 本章小结 本章首先从不稳定煤层的特征、开采技术上分析了该特殊煤层在回采过程中遇到的 技术难题，通过分析研究国内外在开采不稳定厚煤层的经验，结合济宁二号煤矿4 3 下 0 3 工作面实际情况，确定采用特殊采放方法开采煤层。该方法与普通综采相比可多回收 煤炭1 8 1 7 万t ，多创利润1 2 7 1 9 万元，取得了高采高效的预期效果。 1 4 山东科投大学工程硕士学位论文 特殊煤层工作面回采工艺研究 3 特殊煤层工作面回采工艺研究 回采工艺是采煤方法的重要组成部分，是回采工作面在顺序上、时间上和空间上完 成煤炭破、装、运等基本工序及采煤与运输设备的移置等辅助工序的方法及其配合。综 采和综放作为高产高效矿井的主要采煤方法技术成熟；将两种采煤方法结合放到同一工 作面的不同时期使用就存在一个过渡状态。因此，特殊煤层条件下采用的特殊采放法包 括三个区域：综采区、过渡区和综放区。 3 1 工作面参数确定 3 1 1 工作面长度 工作面长度一般情况下应根据所确定的工作面日产量和工作面的日推进度进行计 算。但在大多数情况下，各生产矿井多根据采区几何尺寸和布置的工作面数进行圈定或 者根据经验及设备能力( 刮板输送机的铺设长度) 确定。预计该面年产1 5 0 万t 以上， 考虑采区几何尺寸及济宁二号煤矿特殊煤层条件，工作面长度定为1 6 4 2 m 。如果按照工 作面的生产能力( 曰产5 0 0 0 t 以上) ，加上一定的不均衡系数，工作面长度可以按下式校 核： ，：k 璺t ”h b y c 式中：q r 工作面日产量； 足，工作面正规循环率，取墨= 1 1 ： 卜一工作面长度； n 日循环数； h 煤层厚度； b 循环进尺一刀，0 8 m ； c 工作面回采率； ，煤体容重，1 3 t m 3 。 工作面走向上煤层厚度不稳定( 1 6 5 3 m ) ，可以分为综采和综放两个开采区域。 ( 1 ) 综采区 综采区从切眼到距切眼4 7 8 m 处，平均煤厚2 4 8 m ，即h = 2 4 8 m ：回采率去c = 9 5 ； 按每目1 2 个循环( n = 1 2 ) ：代入上式则： 些墨型基盔兰三毽堡主堂垡丝苎 量堡堡星三丝耍回墨三茎婴茎 - 1 x 生忑= 1 5 7 3 0 ( ) 1 2 2 8 4 0 8 x 1 3 5 9 5 、 即综采区1 6 4 2 m 长工作面完全可以满足日产5 0 0 0 t 以上的要求。 ( 2 ) 综放区 综放区从距切眼4 7 8 m 处到停采线，平均厚度4 3 0 m ，即h = 4 ，3 0 m ；采煤机割煤部 分取9 5 ，顶煤回收率取7 7 ，加权计算工作面回采率为8 0 5 7 ；按每日9 个循环( n = 9 ) ； 代入上式则： ，：1 1 ! ! 旦! ：1 5 3 7 8 f 聊1 9 x 4 3 0 0 8 1 ，3 5 8 0 5 7 即综放区1 6 4 2 m 长工作面也能完全满足日产5 0 0 0 t 以上的要求。 3 1 2 工作面推进长度 高产高效工作面的走向长度一般均在2 0 0 0 m 以上，美国一个综采工作面的走向长度 达4